（南京钢铁集团特钢事业部棒材厂 江苏南京 210044）
摘要：过去光棒制造领域主要采用单一的石墨加热体对炉体进行加热。在控制方面，主要通过R型热电偶、温控仪和功率控制器三者的共同参与，达到控制烧结炉体温度的目的。但是随着产品质量和制造要求的不断提高，此种控制方法在控制精度、炉内温度分布等方面的缺陷便凸显出来，所以多温区加热炉控制系统的研究便有了重要的实际意义。
关键词：多温区加热炉；控制系统分析；设计
1加热炉的原理与特点
上个世纪七十年代苏黎世理工大学发明了加热炉，两年后日本的田熊理工研究所根据此原理开发出了热水锅炉，并获得了相关的发明专利，直到八十年代韩国的富士特锅炉株式会社才真正将工业锅炉投入到市场当中，加热炉是真空热水锅炉的一种，主要是使用水作为中间介质对为油气水进行加热的真空锅炉。按照设计要求在在封闭的容器下端装载一定量的水，在其上端设置被加热介质的盘管，并抽出容器内部的空气，保证容器内部只有饱和水蒸气以及水两种介质，在当地海拔条件下水的沸点高于容器内部温度时，容器内部就会形成负压状态。对容器下端持续进行加热，容器内部的水温就会迅速升高，产生大量的水蒸气，上端的盘管通过与水蒸气形成换热，而对内部介质进行升温，此时外部的水蒸气就会冷凝形成水滴落下，继续被加热，形成一个热循环，保持了动态平衡。
加热炉的应用为采油厂节省了大量的能耗，理论上加热炉的热效率可以无限接近100%，实际上也在90%左右；单位体积功率大，与传统加热炉相比节省了30%左右的钢材；由于容器内部为真空，是无氧运行，失去了结垢和腐蚀的物质基础，因此基本上不存在结构、腐蚀等问题，中间介质的损失也很少；最后真空加热炉的安全性能良好，运行状态为负压，不存在爆炸的危险。但是我们也应意识到真空加热炉的缺点，就是在理论极限温度下，并不具备可以替换的经济、安全、可靠的高温中间介质。
2加热炉电气自动控制技术瓶颈分析
以往加热炉控制偏重于常规燃烧控制。通常会依据加热炉实践运转情况，采纳针对性办法让加热炉一直保持安稳的工况，从而完成最好燃烧，到达节能减耗的意图。跟着计算机技术及电气技术的不断老练，为加热炉温控供给了极大的技术支持。以计算机技术来控制加热炉各段炉温，可有用提高控制精度，并可得到较为抱负的物料温度，在完成最好燃烧的一起，也能确保加热炉安全性。正是因为计算机技术与电气技术的不断发展，让加热炉自动化控制得以完成。有关于欧美发达国家而言，我国加热炉电气自动控制技术起步较晚，而且普及面较窄。有些工业出产企业虽然装备了较为领先的计算机硬件设备，但计算机首要用于简略的PID调理，仅仅用来代替普通丈量外表，并未将计算机的强壮功用充沛发挥出来。在加热炉电气自动控制技术运用进程中，还会遭到一些外界要素搅扰，会对体系的安稳性产生影响，必定程度上制约了控制作用。在加热炉燃烧体系控制方面，干流的控制方法包含穿插燃烧控制及流量、温度串级比值控制。在加热炉安稳作业的状态下，上述两种方法可以得到较好的自动控制作用。一旦加热炉工况不行安稳，上述两种方法控制作用将大大削弱，无法完成最好燃烧。之所以国内许多加热炉控制体系无法彻底完成自动控制，首要仍是遭到了某些技术瓶颈限制，首要表现为以下几个方面：（1）自动控制技术无法满意技术需求。工业出产进程中，技术是确保产品质量、出产功率的根底。出产技术与许多要素有关，包含原材料、设备、操作方法等。有些加热炉自动控制技术与出产技术格格不入，无法满意技术需求，使得自动控制作用大大受限。（2）参数检查。要完成加热炉自动控制，需要对有关参数进行精确测定，才干确保控制进程的精确度。例如，在有些加热炉傍边会使用氧化锆氧浓度外表来检查尾气含氧量，以此来判别氧气浓度。然而氧化锆氧浓度外表寿命并不长、维护较为困难，而且有些尾气傍边富含许多杂质，会对检查成果产生影响，这也就意味着无法精确测定尾气含氧量，也就不能构成自动控制闭环，必定程度上制约了自动控制作用。（3）无法构建规范化模型完成自动化控制。加热炉运转进程中涵盖了许多不知道参数，包含温度、热工情况等，而且技术参数会呈现必定程度动摇，搅扰要素较多，很难构建自动化控制规范模型。
3多温区加热炉控制系统设计要求
3.1多个加热系统，保证炉内温度分布精确可控
为了保证预制棒在炉体内的加热过程稳定且可控，多个加热系统的结构有利于对炉体内部的温度分布进行精确控制，讲炉体内的温区大致分为预热区、加热区、脱气区等。从而大大提高光棒烧结后的产品质量。
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3.2测温系统结构
在测温系统方面，原先的R型热电偶由于性能的限制（测温范围0～1400℃），测量时根据插入炉体的深浅，测得的是一个相对温度，并不是炉体内部的实际温度，所以我们需要更加精确的测温方式来控制炉体的加热功率，在高温阶段采用红外测温便可解决这一问题，因此，我们将采用红外测温与R型热电偶双温控的方式：
（1）在低温阶段（0～600℃）采用热电偶进行检测，此时的控制精度要求不高，另一方面也可以弥补红外测温在低温区域无法测量的缺陷；
（2）在升温阶段（600～800℃），此时红外测温开始介入，与热电偶一起参与炉体加热功率和温度控制；
（3）在高温阶段（800～1700℃），通过温控仪的自动切换，此时由红外测温单独控制，达到对炉体内温度精确控制的目的。
4多温区加热炉控制系统设计的难点
4.1红外与热电偶检测切换时，炉体温度的稳定性
热电偶作为常用的测温元件，主要原理是两种不同成分的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势，即热电动势，一般来说这个数值在0～5mV。而红外测温的信号一般为4～20mA，在切换过程中，会造成炉体功率波动，影响炉温稳定性。
所以在温控仪方面，我们选用了双通道输入的温控仪，下面的图标显示出来两只传感器切换的情况。在高切换点（2to3）是R型测温热电偶工作的高点，在程序内由“SwitchHi”参数觉得。在低切换点（1to2）是红外测温传感器工作的低点，在程序内有“SwitchLo”参数决定。而在这两点之间控制器进行平滑的计算，以保证炉温的稳定性。
4.2控制温区间的相互影响，解决多回路耦合
对于多温区的系统，各个温区之间由于存在着传递方式：传导、对流、辐射，会使得各个回路之间存在较强的耦合性，相互影响，相互干扰，当对一个温度的温度进行控制时势必会引起其他温区温度的波动。
目前在过程控制领域，应用比较普遍的解耦方法有三种：
（1）对角矩阵法：将耦合网络添加解耦环节，使其实现输入和输出的一对一的控制；
（2）前馈补偿法：这种补偿方案是添加解耦网络，让这一回路受到的干扰通过解耦网络来抵消；
（3）状态反馈法：在对象状态方程已知的条件下，通过状态反馈补偿实现解耦。
而我们主要采用的是第一种方式，这种方法原理简单，易于理解。对角矩阵解耦法是通过解耦网络使得耦合对象的传递函数矩阵W（s）变为对角型矩阵。过对双通道温控仪的解耦结构分析，加上一定的理论计算，最终可以得出简化的解耦模型，通过仿真，我们的解耦设计还是取得了很好的效果。
4.3控制温区间的隔热保护
在炉体设计上，除了传统意义上的石墨断热材保温之外，考虑到加热体之间的热传导，我们在温区之间增加氧化铝陶瓷，起到隔热保温的作用，一定程度上降低了温区之间的相互影响，提高设备的稳定性。
结束语
文章提出了一种多温区加热炉系统理念，利用多个加热体将炉体分为多个温区，从而达到产品质量提升的目的。从设备实际的使用情况来看，该方法稳定可行，设备的稳定性相对于传统的单温区加热系统有了很大程度的提高。对于光棒制造领域具有一定的推进价值。
参考文献：
[1]孙鑫,易开祥,费敏锐.电加热炉温神经网络控制及解耦[J].辽宁工程技术大学学报.2014(03).
[2]谢松云,张建,王公望,董大群.热处理过程计算机控制策略[J].金属热处理.2015(08).
论文作者:夏俊保
论文发表刊物:《电力设备》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/16
标签：加热炉论文; 测温论文; 自动控制论文; 温度论文; 热电偶论文; 技术论文; 容器论文; 《电力设备》2017年第21期论文;